[논문 리뷰] Composite materials with uncured epoxy matrix exposed in stratosphere during NASA stratospheric balloon flight

Alexey Kondyurin, Irina Kondyurina외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 31.

Silicone and Siloxane Chemistry참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2010년 4월 16일부터 18일까지 호주 앨리스 스프링스 상공에서 수행된 나사 고고도 방적선 비행 중, 40km 고도의 성층권에서 72시간 동안 비경화 에폭시 기반 복합재를 노출시켰다. 이 조건은 극한의 저온(-76 °C)과 저기압(2.1 토르)을 특징으로 한다. 주요 발견은 성층권에서의 우주 유사 방사선이 비경화 에폭시 매트릭스에서 교차결합을 유도한 것이며, 지상 대조군은 다중결합 반응을 겪었다. 비행 후에도 매트릭스는 반응성이 유지되어 지구에서 완전한 경화가 가능했으며, 이는 궤도 미션 중 태(space)에서의 복합재 경화 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

A cassette of uncured composite materials with an epoxy resin matrix was exposed in the stratosphere (40 km altitude) over 3 days. Temperature variations of -76...+32.50C and pressure up to 2.1 Torr were recorded during flight. An analysis of the chemical structure of the composites showed, that the polymer matrix exposed in the stratosphere becomes crosslinked, while the ground control materials react by way of polycondensation reaction of epoxy groups. The space irradiations are considered to be responsible for crosslinking of the uncured polymers exposed in the stratosphere. The composites were cured on Earth after landing. Analysis of the cured composites showed, that the polymer matrix remains active under stratospheric conditions. The results can be used for predicting curing processes of polymer composite in a free space environment during an orbital space flight.

연구 동기 및 목표

• 비경화 에폭시 수지 매트릭스가 우주 환경을 닮은 성층권 조건에서 화학적 반응성을 가지는지 조사하기 위해.
• 성층권의 우주 유사 방사선 및 극한 조건이 비경화 복합재에서 중합을 유도하는지 확인하기 위해.
• 성층권 조건에 노출된 후에도 에폭시 매트릭스의 잔류 반응성을 평가하여 태에서 또는 궤도상에서의 경화 가능성을 검토하기 위해.
• 동일한 에폭시 시스템이 성층권 노출 조건과 지상 대조 조건에서 각각 교차결합과 다중결합 반응의 경화 메커니즘에 어떻게 다름을 비교하기 위해.

제안 방법

• 에폭시 수지 매트릭스를 포함한 비경화 복합재를 담은 캐세트가 2010년 4월 16일부터 18일까지 호주 앨리스 스프링스 상공에서 수행된 나사 성층권 방적선 비행에 탑재되었다.
• 재료들은 성층권 조건에 노출되었으며, 온도 범위는 -76 °C에서 +32.5 °C이며, 기압은 최저 2.1 토르로 72시간 동안 유지되었다.
• 노출된 복합재와 지상 대조군의 화학적 구조 분석을 위해 스펙트로스코픽 기법을 사용하여 반응 경로를 규명하였다.
• 비행 후, 노출된 복합재는 지구에서 경화되어 잔류 반응성과 최종 교차결합 밀도를 평가하였다.
• 노출된 샘플과 대조 샘플의 경화 거동을 비교하여 성층권 방사선이 중합에 미치는 영향을 분리 분석하였다.
• 지상 대조군에서 이러한 효과가 관찰되지 않은 점을 바탕으로, 이온화 방사선(예: 우주선)이 교차결합을 유도하는 역할을 한 것으로 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성층권 방사선 노출이 비경화 에폭시 수지 매트릭스에서 교차결합을 유도하는가?
• RQ2 비경화 에폭시 복합재의 경화 메커니즘이 성층권 노출 조건과 지상 대조 조건에서 어떻게 다름을?
• RQ3 비경화 에폭시 매트릭스가 극한의 성층권 조건에 노출된 후에도 어느 정도 반응성을 유지하는가?
• RQ4 성층권에서 관찰된 화학적 변형이 열적 또는 압력적 영향만으로 설명될 수 있는가, 아니면 이온화 방사선의 영향이 주요 원인인가?
• RQ5 이러한 행동은 궤도 미션 중 고분자 복합재의 태에서 경화에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 성층권에서 노출된 비경화 에폭시 매트릭스는 화학적 구조 분석을 통해 방사선 유도 교차결합을 겪었다.
• 반대로, 지상 대조군은 다중결합 반응을 겪었으며, 이는 성층권 효과가 환경적 요인만으로는 설명되지 않음을 시사한다.
• 성층권 노출 후에도 에폭시 매트릭스는 지구에서의 완전한 경화를 가능하게 할 정도로 충분한 반응성을 유지하였다.
• 온도 및 기압 변화는 방사선이 없을 경우에 있어 유의미한 화학적 변화를 유도하지 않았다.
• 결과적으로, 우주 유사 방사선이 성층권 조건에서 비경화 에폭시 복합재의 교차결합을 유도하는 주요 원인임을 시사한다.
• 이러한 발견은 저궤도 및 태행 임무에서 고분자 복합재의 태에서 경화 가능성을 뒷받침한다.